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摘 要：开展内河AIS航标的关键技术研究，对于提高内河航道航标维护质量和服务水平十分必要，而且十分紧迫。通过对新型智能航标关键技术的深入研究，将有助于提高内河航标的信息化、智能化水平，加强数字航道的建设，进而推动我国的内河航运系统的发展。
关键词：嵌入式AIS 航标 推广应用
AIS航标遥测遥控系统是以计算机为基础的实时在线监控和管理的自动化系统。该系统通过采用先进的传感技术、通信技术、人工智能技术采集航标的GPS、加速度、电源、工作状态等多种信息，并根据航标进行实时的监测，以实现航标的详细数据信息采集、遥测、遥控、参数调节、各类信号异常报警等各项功能，从而达到实时监控、智能化的目的。
系统设计
系统设计分为3层系统结构，如图1所示。包括：上层是RMCS航标遥测遥控系统软件；中间层是AIS/GPRS通信系统；下层是AIS航标终端构成。
1、上层：RMCS航标遥测遥控系统软件
上层RMCS航标遥测遥控系统软件是一个监控中心，它连接到后台的数据库，监控中心实时监测远程端现场的工作状态和参数。当接收数据异常时，监控中心把异常信息记录于数据库，并根据异常数据生成处理决策，建议航标管理部门采取怎样的处理措施和方案。
2、中间层：AIS/GPRS通信系统
中间层AIS/GPRS通信系统主要用于监控中心和航标终端进行通讯。通讯链路分为162.15MHz的AIS通讯和GPRS通讯。通讯方式有下行命令，包括广播方式和遥测遥控命令下方方式；上行报告，包括事件触发方式、突发传输方式、定时传输方式和广播方式。
3、下层：AIS航标终端
下层AIS航标终端主要包括：GPS信息采集、航标工作状态信息采集、加速度信息采集、电池电压采集和系统工作电流采集终端。RTU的主要作用是进行采集航标详细数据及控制和监控航标的各项参数。AIS航标终端作为系统中的一个远程数据通讯单元，可以独立完成上传航标数据或响应监控中心的控制命令的任务。
技术分析
1、主控制电路
AIS航标的航标灯基本信息采集电路主芯片采用意法半导体公司的STM32F103ZET6工作频率为高达72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口，并包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器， 2个I2C接口、3个SPI接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。工作温度-40℃至+85℃的温度范围，电压2.0V至3.6V，并拥有一系列的省电模式保证低功耗应用的要求，在外设不开、1Mhz工作频率条件下工作电流仅0.4mA。
2、系统供电电路
电源设计上主要采用的是各模块分立式供电，由于多功能航标终端的电源稳定性受灯器蓄电池、太阳能充电的影响，闪光灯的脉冲瞬间电流、太阳能充电时电压的变化、通信模块发送数据时瞬间大电流都会给航标终端的精密A/D测量带来干扰，采用独立式供电、大电容放电电路和电源滤波加上分时工作模式及其他保护电路的设计保证了多功能航标终端具有较强的抗干扰性。
电源管理系统设计采用的是高效率低压差的稳压电源LDO的方式来实现。LDO的电源芯片具有压降低、动态性能好等优点，为了把航标灯的电池上4V～10V的电压降到监控系统所需要3.3V电压的目的，在本次工程系统中采用的是由美国TI公司的TPS56065芯片组成电源电路，4V输入电源的变换效率高达92%以上，同时还可以实现系统的宽供电，在本设计中，电压的适应范围为4V～10V，可以适用于绝大多数工作电压范围的航标灯。
3、RS485通信电路
本设计采用MAX3485来实现串口的TTL电平信号转换成485差分信号。485总线通信电路图如图2所示。一般情况下，系统不需要增加RL终端电阻，只有在485通信距离超过300米的情况下，要在485通讯的开始端和结束端增加终端电阻。
4、EEPROM存储器电路
EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），电可擦可编程只读存储器，一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以擦除已有信息，重新编程。其与FLASH最大区别是FLASH按扇区操作，EEPROM则按字节操作，二者寻址方法不同，存储单元的结构也不同，FLASH适合用作程序存储器，EEPROM则更多的用作非易失的数据存储器。
为了系统保存需要掉电保存的系统程序参数，本设计采用1K字节8位数据宽度的STM24C08 EEPROM存储器。该存储器具有宽工作电压1.8～5.5V、低功耗（1mA典型工作点流、1uA典型待機电路）、I2C总线接口（3.3V工作电压下频率400KHz）、可按字节读写、可按页读写、硬件数据写保护、写周期（最大5ms）、自动递增地址、ESD保护大于2.5kV、高可靠性（擦写寿命100万次、数据保持时间100年）等特点。STM24C02电路如图3所示。
5、电流、电压检测电路设计
在本设计中，使用ZXCT1010芯片检测电源的电流。ZXCT1010芯片测量精度高、价格低廉、功耗低、使用方便等优点，因此，我们选用ZXCT1010作为电源管理的核心芯片。在航标终端，中央处理单元实时监控蓄电池的电量，当电量不足时向监控中心发出警报同时将系统的整体功耗降到最低，只开启最基本的功能模块。通过电阻分压测量电池电压，通过专用电流检测芯片检测电流，将电流值转化为电压值，再经过单片机的ADC转换，即可得出电池的电压和电路的工作电流。检测电路如图4所示：
6、碰撞检测电路设计 在本系统中，采用加速度传感器检测航标是否碰撞。传统的加速度传感器一般为模拟输出，用户需要A/D采样后，将模拟量转换为数字量，再进行数据处理。MMA7455L提供数字接口（I2C和SPI），用户可直接读取MMA7455L的寄存器得到输出数字量，方便用户的数据处理，在没有A/D接口的MCU上照常使用。总线通讯可以使用MCU硬件单元，也可以使用IO模拟通讯，对MCU的支持更加广泛。MMA7455L加速度模块电路如图5所示。
7、太阳能充放电管理电路设计
太阳能板充放电管理硬件上采用IRF7416、由555定时器和数字电位器X9313组成的PWM控制模块来搭建的BUCK降压电路；软件上采用扰动观察法实现MPPT太阳能充放电管理。充电时实现最大功率点跟踪，提升充电效率，增强蓄电池对太阳能板的适应性。过压时，自动启动断开保护，并具有滑动滤波窗口避免频繁开关扰动。
8、AIS发射机设计
AIS在第一层物理层采用了GMSK（高斯最小频移键控）技术，它决定了发射和接收的误码率。进而影响了AIS的实际发射成功率和预约成功率。在第二层链路层的数据鏈路服务层DLS中，使用了循环多余码检测编码CRC技术以及高级数据链路控制协议HDLC技术，而数据链管理实体LME中借鉴了TDMA技术，通过自组织时分多址协议SOTDMA进行数据链联结。AIS采用的通信技术决定了它的相关通信参数，其中SOTDMA协议是其核心技术。而TDMA技术则是当今通信技术的主流，该技术的频带利用率很高，抗干扰性强。
9、RMCS航标遥测遥控系统软件的设计
RMCS航标遥测遥控系统软件主要实现对采集的数据的管理。 RMCS航标遥测遥控系统软件整体包括电子航道图显示管理系统、通信伺服系统、数据与系统管理系统和业务管理系统等几大模块。同时，该系统软件允许根据实际需要，添加或删除相应的子系统。RMCS系统软件整体结构图如下：
研究成果
该系统采用多种方法，在不同的开发阶段对实施完成的航标终端系统进行了全面效果测试。不同阶段测试包括：①功能、性能测试，主要包括功能测试、高温测试、低温测试、湿热测试、浪涌测试、静电测试等。②模拟测试，对系统集成AIS航标终端、RMCS航标遥测遥控软件平台联调测试。③现场测试，测试系统长时间工作稳定性、抗干扰能力和管理系统稳定性。如图7所示。
（作者单位：长江武汉航道局）
关键词：嵌入式AIS 航标 推广应用
AIS航标遥测遥控系统是以计算机为基础的实时在线监控和管理的自动化系统。该系统通过采用先进的传感技术、通信技术、人工智能技术采集航标的GPS、加速度、电源、工作状态等多种信息，并根据航标进行实时的监测，以实现航标的详细数据信息采集、遥测、遥控、参数调节、各类信号异常报警等各项功能，从而达到实时监控、智能化的目的。
系统设计
系统设计分为3层系统结构，如图1所示。包括：上层是RMCS航标遥测遥控系统软件；中间层是AIS/GPRS通信系统；下层是AIS航标终端构成。
1、上层：RMCS航标遥测遥控系统软件
上层RMCS航标遥测遥控系统软件是一个监控中心，它连接到后台的数据库，监控中心实时监测远程端现场的工作状态和参数。当接收数据异常时，监控中心把异常信息记录于数据库，并根据异常数据生成处理决策，建议航标管理部门采取怎样的处理措施和方案。
2、中间层：AIS/GPRS通信系统
中间层AIS/GPRS通信系统主要用于监控中心和航标终端进行通讯。通讯链路分为162.15MHz的AIS通讯和GPRS通讯。通讯方式有下行命令，包括广播方式和遥测遥控命令下方方式；上行报告，包括事件触发方式、突发传输方式、定时传输方式和广播方式。
3、下层：AIS航标终端
下层AIS航标终端主要包括：GPS信息采集、航标工作状态信息采集、加速度信息采集、电池电压采集和系统工作电流采集终端。RTU的主要作用是进行采集航标详细数据及控制和监控航标的各项参数。AIS航标终端作为系统中的一个远程数据通讯单元，可以独立完成上传航标数据或响应监控中心的控制命令的任务。
技术分析
1、主控制电路
AIS航标的航标灯基本信息采集电路主芯片采用意法半导体公司的STM32F103ZET6工作频率为高达72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口，并包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器， 2个I2C接口、3个SPI接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。工作温度-40℃至+85℃的温度范围，电压2.0V至3.6V，并拥有一系列的省电模式保证低功耗应用的要求，在外设不开、1Mhz工作频率条件下工作电流仅0.4mA。
2、系统供电电路
电源设计上主要采用的是各模块分立式供电，由于多功能航标终端的电源稳定性受灯器蓄电池、太阳能充电的影响，闪光灯的脉冲瞬间电流、太阳能充电时电压的变化、通信模块发送数据时瞬间大电流都会给航标终端的精密A/D测量带来干扰，采用独立式供电、大电容放电电路和电源滤波加上分时工作模式及其他保护电路的设计保证了多功能航标终端具有较强的抗干扰性。
电源管理系统设计采用的是高效率低压差的稳压电源LDO的方式来实现。LDO的电源芯片具有压降低、动态性能好等优点，为了把航标灯的电池上4V～10V的电压降到监控系统所需要3.3V电压的目的，在本次工程系统中采用的是由美国TI公司的TPS56065芯片组成电源电路，4V输入电源的变换效率高达92%以上，同时还可以实现系统的宽供电，在本设计中，电压的适应范围为4V～10V，可以适用于绝大多数工作电压范围的航标灯。
3、RS485通信电路
本设计采用MAX3485来实现串口的TTL电平信号转换成485差分信号。485总线通信电路图如图2所示。一般情况下，系统不需要增加RL终端电阻，只有在485通信距离超过300米的情况下，要在485通讯的开始端和结束端增加终端电阻。
4、EEPROM存储器电路
EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），电可擦可编程只读存储器，一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以擦除已有信息，重新编程。其与FLASH最大区别是FLASH按扇区操作，EEPROM则按字节操作，二者寻址方法不同，存储单元的结构也不同，FLASH适合用作程序存储器，EEPROM则更多的用作非易失的数据存储器。
为了系统保存需要掉电保存的系统程序参数，本设计采用1K字节8位数据宽度的STM24C08 EEPROM存储器。该存储器具有宽工作电压1.8～5.5V、低功耗（1mA典型工作点流、1uA典型待機电路）、I2C总线接口（3.3V工作电压下频率400KHz）、可按字节读写、可按页读写、硬件数据写保护、写周期（最大5ms）、自动递增地址、ESD保护大于2.5kV、高可靠性（擦写寿命100万次、数据保持时间100年）等特点。STM24C02电路如图3所示。
5、电流、电压检测电路设计
在本设计中，使用ZXCT1010芯片检测电源的电流。ZXCT1010芯片测量精度高、价格低廉、功耗低、使用方便等优点，因此，我们选用ZXCT1010作为电源管理的核心芯片。在航标终端，中央处理单元实时监控蓄电池的电量，当电量不足时向监控中心发出警报同时将系统的整体功耗降到最低，只开启最基本的功能模块。通过电阻分压测量电池电压，通过专用电流检测芯片检测电流，将电流值转化为电压值，再经过单片机的ADC转换，即可得出电池的电压和电路的工作电流。检测电路如图4所示：
6、碰撞检测电路设计 在本系统中，采用加速度传感器检测航标是否碰撞。传统的加速度传感器一般为模拟输出，用户需要A/D采样后，将模拟量转换为数字量，再进行数据处理。MMA7455L提供数字接口（I2C和SPI），用户可直接读取MMA7455L的寄存器得到输出数字量，方便用户的数据处理，在没有A/D接口的MCU上照常使用。总线通讯可以使用MCU硬件单元，也可以使用IO模拟通讯，对MCU的支持更加广泛。MMA7455L加速度模块电路如图5所示。
7、太阳能充放电管理电路设计
太阳能板充放电管理硬件上采用IRF7416、由555定时器和数字电位器X9313组成的PWM控制模块来搭建的BUCK降压电路；软件上采用扰动观察法实现MPPT太阳能充放电管理。充电时实现最大功率点跟踪，提升充电效率，增强蓄电池对太阳能板的适应性。过压时，自动启动断开保护，并具有滑动滤波窗口避免频繁开关扰动。
8、AIS发射机设计
AIS在第一层物理层采用了GMSK（高斯最小频移键控）技术，它决定了发射和接收的误码率。进而影响了AIS的实际发射成功率和预约成功率。在第二层链路层的数据鏈路服务层DLS中，使用了循环多余码检测编码CRC技术以及高级数据链路控制协议HDLC技术，而数据链管理实体LME中借鉴了TDMA技术，通过自组织时分多址协议SOTDMA进行数据链联结。AIS采用的通信技术决定了它的相关通信参数，其中SOTDMA协议是其核心技术。而TDMA技术则是当今通信技术的主流，该技术的频带利用率很高，抗干扰性强。
9、RMCS航标遥测遥控系统软件的设计
RMCS航标遥测遥控系统软件主要实现对采集的数据的管理。 RMCS航标遥测遥控系统软件整体包括电子航道图显示管理系统、通信伺服系统、数据与系统管理系统和业务管理系统等几大模块。同时，该系统软件允许根据实际需要，添加或删除相应的子系统。RMCS系统软件整体结构图如下：
研究成果
该系统采用多种方法，在不同的开发阶段对实施完成的航标终端系统进行了全面效果测试。不同阶段测试包括：①功能、性能测试，主要包括功能测试、高温测试、低温测试、湿热测试、浪涌测试、静电测试等。②模拟测试，对系统集成AIS航标终端、RMCS航标遥测遥控软件平台联调测试。③现场测试，测试系统长时间工作稳定性、抗干扰能力和管理系统稳定性。如图7所示。
（作者单位：长江武汉航道局）